Rydbergův polaron. Červeně atomové jádro Rydbergova atomu, modře jeho excitovaný elektron a zeleně okolní atomy stroncia Boseho-Einsteinova kondenzátu. Kredit: TU Wien.

Co je v atomech mezi oběžnými drahami elektronů a atomovým jádrem? Obvykle nic. Co kdyby se tam ale objevily nějaké další částice? Pokud by elektrony obíhaly dostatečně daleko, tak by mezi nimi a atomovými jádry byl dostatek volného prostoru. A právě takovou hmotu vymysleli a pak i vytvořili fyzici Vídeňské techniky (TU Wien), Harvardu a Riceho univerzity v Houstonu.

Vytvořili gigantické „atomy“ v nichž se pohybují kromě elektronů i jiné atomy. Takto vzniklé atomy se mohou vázat s dalšími atomy slabými vazbami a vytvořit novou, exotickou formu hmoty, takzvané Rydbergovy polarony.

Joachim Burgdörfer. Kredit: TU Wien.

Fyzici už delší dobu studují dvě velmi speciální formy hmoty, které existují jen v extrémních podmínkách. Jde o Boseho-Einsteinův kondenzát, čili ultrachladnou hmotu, jejíž teplota je velmi blízko absolutní nule, a pak Rydbergovy atomy, jejichž jeden elektron je ve vysoce excitovaném stavu a obíhá atomové jádro ve velmi velké vzdálenosti. Podle Joachima Burgdörfera z TU Wien je průměrná vzdálenost mezi elektronem a atomovým jádrem těchto atomů několik set nanometrů. To je ve skutečnosti více než tisícinásobek velikosti atomu vodíku. Co kdyby ale tyto dvě exotické formy hmoty spojili do jednoho experimentu?

Badatelé vytvořili Boseho-Einsteinův kondenzát z atomů stroncia. Pak pomocí laserového paprsku dodali jednomu z těchto atomů energii a vytvořili tím z něj ohromný Rydbergův atom. Elektron toho atomu obíhá atomové jádro v takové vzdálenosti, že se mezi něj a atomové jádro dostane mnoho dalších atomů stroncia Boseho-Einsteinova kondenzátu. Jejich počet se může lišit, podle Burgdörfera jich tam může být u jednoho Rydbergova atomu až 170.

Klasické schéma Boseho-Einsteinova kondenzátu. Kredit: NIST/JILA/CU-Boulder.

Tyto atomy stroncia Boseho-Einsteinova kondenzátu nenesou žádný elektrický náboj, takže obíhající elektron svou přítomností ovlivňují jen zcela mizivě. Kvantová fyzika pomalých elektronů připouští, že elektrony mohou být takto nepatrně ovlivňovány, a přitom zůstávají na své dráze. Počítačové simulace ukázaly, že Rydbergův atom může navázat slabé vazby s atomy, které jsou uvnitř oběžné dráhy elektronu. Podle vědců to je velmi neobvyklé. Zatímco normálně se setkáváme s elektricky nabitými jádry, která váží elektrony, v tomto případě tu máme elektron, který váže elektricky neutrální atomy.

Zmíněné vazby Rydbergova atomy s atomy uvnitř oběžné dráhy elektronu jsou mnohem slabší nežli vazby mezi atomy v krystalu. Takto vzniklá exotická forma hmota, čili Rydbergovy polarony , může existovat jenom za velmi nízkých teplot. Pro fyziky ale představuje fascinující možnost výzkumu ultrachladných atomů. Tímto způsobem je vlastně možné studovat vlastnosti Boseho-Einsteinova kondenzátu s velmi vysokou přesností, v měřítku jednotlivých atomů.

Literatura
TU Wien 26. 2. 2018, Physical Review Letters 120: 083401.